Спектральні і структурні особливості біокомпозитних плівок оксиду графену і дисульфіду молібдену з молекулами 5-бромурацилу

  • Yu. V. Rubin Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна Національної академії наук України, просп. Науки 47, Харків, 61103, Україна
  • A. Yu. Ivanov Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна Національної академії наук України, просп. Науки 47, Харків, 61103, Україна https://orcid.org/0000-0002-2975-3052
  • L. F. Belous Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна Національної академії наук України, просп. Науки 47, Харків, 61103, Україна
  • V. A. Karachevtsev Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна Національної академії наук України, просп. Науки 47, Харків, 61103, Україна https://orcid.org/0000-0003-4580-6465
Ключові слова: основи ДНК, нуклеозиди, графен, оксид графену, дисульфід молібдену, квантово-механічні розрахунки, ІЧ-Фур'є спектроскопія

Анотація

Актуальність. Останнім часом композитні матеріали на основі наночастинок і біологічних молекул інтенсивно досліджуються завдяки унікальним фізико-хімічним і біофізичними властивостями і перспективам застосування в різних областях технологій, техніки і медицини. Багато лабораторій проводять експерименти з композитними матеріалами на основі вуглецевих наночастинок і різних 2D-наноматеріалів з метою створення на їх основі чутливих біосенсорів, розробки нових функціональних матеріалів для біології та медицини. Широкий спектр практичних застосувань вимагає фундаментальних знань про структуру створених композитів, енергії взаємодії між компонентами та їх спектральні характеристики.

Мета роботи. Метою роботи було дослідження структурних особливостей біокомпозитних плівок оксиду графену (GO) и дисульфіду молібдену MoS2 з молекулами 5-бромурацила (5BrU) і 5-бром-2'-дезоксиуридина (5BrdU) і отримання інформації про взаємодію між їх компонентами на підставі даних інфрачервоної Фур’є спектроскопії та квантово-хімічних розрахунків.

Матеріали та методи. Для вимірювань використовувався вакуумуємий інфрачервоний Фур’є-спектрометр. Композитні плівки створювалися крапельним методом на основі оксиду графену фірми GRAPHENEA, водної суспензії порошку дисульфіду молібдену MoS2, а також біомолекул 5BrU і 5BrdU. Для квантово-хімічних розрахунків модельних структур була задіяна програма Gaussian 09, а також програма Firefly 8.0, в якій частково використаний код програми GAMESS (USA).

Результати. Отримано частоти та інтенсивності інфрачервоних смуг поглинання біокомпозитних плівок (5BrU/GO, 5BrU/MoS2, 5BrdU/GO і 5BrdU/MoS2) з різною кількістю біомолекул. Проведено віднесення смуг поглинання композитних плівок до відповідних типів нормальних коливань. Визначено енергії взаємодії в модельних структурах. Встановлено аморфність (розупорядкованість) структури кластерів 5BrU в композитах 5BrU/GO при низькій концентрації біомолекул. Показано, що композити MoS2 є більш неоднорідними, ніж композити GO.

Висновки. Смуга поглинання коливань nCO з частотою 1783 см-1, а також смуги позаплощинних деформаційних коливань γNH 5BrU чутливі до структури кластерів 5BrU в композитних плівках. Продемонстровано, що в композитних плівках оксид графену впливає на конформаційну рівновагу 5BrdU. Встановлено, що структури зі стекінгом між піримідиновим кільцем нуклеозиду і базальною площиною оксиду графену є найбільш енергетично вигідними.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Yin PT, Shah S, Chhowalla M, Lee K-B. Design, synthesis, and characterization of graphene−nanoparticle hybrid materials for bioapplications. Chem. Rev. 2015;115(7):2483–532. http://doi.org/10.1021/cr500537t

Heerema SJ, Dekker C. Graphene nanodevices for DNA sequencing. Nature Nanotechnology. 2016;11: 127–36. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.307

Xiao L, Xu L, Gao Ch, Zhang Yu, Yao Q, Zhang G-J. A MoS2 nanosheet-based fluorescence biosensor for simple and quantitative analysis of DNA methylation. Sensors. 2016;16:1561–71. https://doi.org/10.3390/s16101561

Yadav V, Roy S, Singh P, Khan Z, Jaiswal A. 2D MoS2-based nanomaterials for therapeutic, bioimaging, and biosensing applications. Small. 2019;15:1803706–39. https://doi.org/10.1002/smll.201803706

Saenger W. Principles of Nucleic Acids Structure. Springer-Verlag: New York; 1984. 556 p. https://doi.org/10.1016/0307-4412(85)90046-9

Danilov VI, van Mourik T, Kurita N, Wakabayashi H, Tsukamoto T, Hovorun DM. On the mechanism of the mutagenic action of 5-bromouracil: a DFT study of uracil and 5-bromouracil in a water cluster. J. Phys. Chem. A, 2009;113:2233–35. https://doi.org/10.1021/jp811007j

Abdoul-Carime H, Huels MA, Illenberger E, and Sanche L. Sensitizing DNA to secondary electron damage: resonant formation of oxidative radicals from 5-halouracils. J. Am. Chem. Soc. 2001;123:5354–55. https://doi.org/10.1021/ja003952d

Hashiya F, Saha A, Kizaki S, Li Y, Sugiyama H. Locating the uracil-5-yl radical formed upon photoirradiation of 5-bromouracil-substituted DNA. Nucleic Acids Research, 2014;42(22):13469–73. https://doi.org/ 10.1093/nar/gku1133

Ivanov AYu, Leontiev VS, Belous LF, Rubin YuV, Karachevtsev VA. Infrared spectra of 5-fluorouracil molecules isolated in inert Ar matrices, and their films on graphene oxide at 6K. Low Temperature Physics. 2017;43:400–8. https://doi.org/10.1063/1.4979957

Ivanov AYu, Plokhotnichenko AM, Karachevtsev VA. Enhancement of the absorption bands in the infrared spectra of low-temperature uracil films by interference. Low Temperature Physics. 2018;44(11):1215–18. https://doi.org/10.1063/1.5062163

Ivanov AYu, Rubin YuV, Belous LF, Karachevtsev VA. Structures and infrared spectra of 5-chlorouracil molecules in the low-temperature inert Ar, Ne matrices and composite films with oxide graphene. Low Temperature Physics. 2018;44(8):847–55. https://doi.org/10.1063/1.5049170

Ivanov AYu, Plokhotnichenko AM, Radchenko ED, Sheina GG, Blagoi YuP. FTIR spectroscopy of uracil derivatives isolated in Kr, Ar and Ne matrices: matrix effect and Fermi resonance. J. Mol. Struct. 1995;372:91–100. https://doi.org/10.1016/0022-2860(95)08976-4

Ivanov AYu, Krasnokutski SA, Sheina GG. Molecular structures of thymidine isomers isolated in low-temperature inert matrices. Low Temp. Phys. 2003;29:809–14. https://doi.org/10.1063/1.1614199

Ivanov AYu, Karachevtsev VA. FTIR spectra and conformations of 2′-deoxyuridine in Kr matrices. Low Temp. Phys. 2007;33:590–5. https://doi.org/10.1063/1.2755193

Ivanov AYu, Plokhotnichenko AM. A low-temperature quartz microbalance. Instr. Experim. Techn. 2009;52:308–11. https://doi.org/10.1134/S0020441209020341

Wojdyr M. Fityk: a general purpose peak fitting program. J. Appl. Cryst. 2010;43:1126–8. https://doi.org/10.1107/S0021889810030499

Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, Scuseria GE, Robb MA, Cheeseman JR, et al. Gaussian 16, Revision B.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.

Granovsky Alex A. Firefly Version 7.1.G [Internet]. 2009 [cited 2020 May 29]. Available from: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html

Schmidt MW, Baldridge KK, Boatz JA, Elbert ST, Gordon MS, Jensen JH, et al. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993;14:1347–63. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

Grimme S, Ehrlich S, Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011;32:1456–65. https://doi.org/10.1002/jcc.21759

Ivanov AYu, Rubin YuV, Egupov SA, Belous LF, Karachevtsev VA. Fermi resonance in Ne, Ar and Kr-matrix infrared spectra of 5-bromouracil. Low Temp. Phys. 2013;39:546–56. https://doi.org/10.1063/1.4811260

Ivanov AYu, Stepanian SG, Karachevtsev VA. Adamowicz L. Nucleoside conformers in low-temperature argon matrices: Fourier transform IR spectroscopy of isolated thymidine and deuterothymidine molecules and quantum-mechanical calculations. Low Temp. Phys. 2019;45:1008–18. https://doi.org/10.1063/1.5121271

Rozenberg M, Shoham G, Reva I, Fausto R. Low temperature Fourier transform infrared spectra and hydrogen bonding in polycrystalline uracil and thymine. Spectrochimica Acta Part A, 2004;60:2323–36. https://doi.org/10.1016/j.saa.2003.12.006

Holroyd LF, van Mourik T. Stacking of the mutagenic base analogue 5-bromouracil: energy landscapes of pyrimidine dimers in gas phase and water. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015;17:30364–70. https://doi.org/10.1039/C5CP04612B

Deegan RD, Bakajin O, Dupont TF, Huber G, Nagel SR, Witten TA. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. Nature. 1997;389:827–9. https://doi.org/10.1038/39827

Deegan RD, Bakajin O, Dupont TF, Huber G, Nagel SR, Witten TA. Contact line deposits in an evaporating drop. Phys. Rev. E. 2000;62:756–65. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.756

Vovusha H, Sanyal B. Adsorption of nucleobases on 2D transition-metal dichalcogenides and graphene sheet: a first principles density functional theory study. RSC Adv. 2015;5:67427–34. https://doi.org/10.1039/C5RA14664J

Tsyganenko AA, Can F, Travert A, Maugé F. FTIR study of unsupported molybdenum sulfide — in situ synthesis and surface properties characterization. Applied Catalysis A: General. 2004;268:189–97. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2004.03.038

Опубліковано
2020-07-06
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Rubin, Y., Ivanov, A., Belous, L., & Karachevtsev, V. (2020). Спектральні і структурні особливості біокомпозитних плівок оксиду графену і дисульфіду молібдену з молекулами 5-бромурацилу. Біофізичний вісник, (43), 71-84. Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/15437
Розділ
Біофізика складних систем